基于虛擬透視技術(shù)的地下電纜現(xiàn)場展示終端的研究

馬進(jìn)+楊義軍+于金亮

摘 要：目前，我國高壓電力電纜管理絕大多數(shù)依賴于從業(yè)人員的經(jīng)驗和對電纜網(wǎng)絡(luò)的熟悉程度，人員專業(yè)素質(zhì)直接影響到電力電纜的運(yùn)行維護(hù)水平，甚至影響到電網(wǎng)的安全運(yùn)行。現(xiàn)階段由于種種原因，部分線路的資料不全，且有關(guān)資料精度不高或與現(xiàn)狀不符，甚至有的直埋電纜沒有路徑走向圖，工作人員在電纜井內(nèi)工作時，分不清進(jìn)出井內(nèi)的電纜是哪條線路。因此，如何利用科學(xué)的技術(shù)和管理手段對電力電纜信息迸行有效管理，使電力電纜的管理步入定量化、科學(xué)化、自動化、現(xiàn)代化的軌道，己成為電力行業(yè)當(dāng)前十分緊迫的任務(wù)。針對以上問題，提出以虛擬現(xiàn)實增強(qiáng)技術(shù)、實景地理信息系統(tǒng)、移動定位技術(shù)、電纜運(yùn)行檢測技術(shù)為基礎(chǔ)，建立電力電纜檔案管理系統(tǒng)，切實解決當(dāng)前電力電纜及管溝管理的落后狀態(tài)，提高電纜管理水平，為電網(wǎng)智能化管理提供技術(shù)保障，彌補(bǔ)電纜管理空白，對電纜線路運(yùn)維提供一手資料。

關(guān)鍵詞：電纜管理；虛擬透視；現(xiàn)實增強(qiáng)；三維掃描；數(shù)字化全息

本設(shè)備將解決電纜線路增線施工、運(yùn)行維護(hù)以下問題：

1、應(yīng)用三維掃描成像技術(shù)進(jìn)行電纜溝道內(nèi)部建模，管理人員可以了解溝道內(nèi)真實電纜布置情況。

2、應(yīng)用手持機(jī)實現(xiàn)地下電纜的模擬顯示，“真實看見”地下電纜走向、相別、疊加、燃?xì)馀c供水等城市管網(wǎng)情況。

3、對電纜進(jìn)行立體化、多維度管理，臺賬、圖紙資料等信息與三維仿真模型結(jié)合地理信息系統(tǒng)對地下電纜實行數(shù)字化全息管理。

4、實現(xiàn)溝道作業(yè)方案三維仿真，模擬施工進(jìn)度與開挖施工對周圍管網(wǎng)的影響。

5、實現(xiàn)科學(xué)化、數(shù)字化、直觀化的三維全息電纜檔案與施工管理。

本設(shè)備采用現(xiàn)實增強(qiáng)技術(shù)與三維地理信息系統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合，通過三維掃描成像技術(shù)構(gòu)建真實的電纜溝建模。將利用三維掃描成像技術(shù)將電纜溝內(nèi)的情況采集到三維地理信息系統(tǒng)，這與以往使用人工建立虛擬地下電纜不同，三維掃描成像技術(shù)可以實現(xiàn)真實的地下電纜仿真。進(jìn)而結(jié)合城市管網(wǎng)數(shù)據(jù)更加直觀、準(zhǔn)確的管理地下電纜與進(jìn)行施工方案制定。通過現(xiàn)實增強(qiáng)技術(shù)將地下電纜仿真數(shù)據(jù)顯示在手持設(shè)備屏幕上，基于攝像頭采集的實時影像疊加，為現(xiàn)場人員提供地下電纜的情況模擬就像為現(xiàn)場人員提供了一雙“透視眼”。

本項目采用現(xiàn)實增強(qiáng)技術(shù)與三維地理信息系統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合，通過三維掃描成像技術(shù)構(gòu)建真實的電纜溝建模。

本系統(tǒng)將利用三維掃描成像技術(shù)將電纜溝內(nèi)的情況采集到三維地理信息系統(tǒng)，這與以往使用人工建立虛擬地下電纜不同，三維掃描成像技術(shù)可以實現(xiàn)真實的地下電纜仿真。進(jìn)而結(jié)合城市管網(wǎng)數(shù)據(jù)更加直觀、準(zhǔn)確的管理地下電纜與進(jìn)行施工方案制定。通過現(xiàn)實增強(qiáng)技術(shù)將地下電纜仿真數(shù)據(jù)顯示在手持設(shè)備屏幕上，基于攝像頭采集的實時影像疊加，為現(xiàn)場人員提供地下電纜的情況模擬就像為現(xiàn)場人員提供了一雙“透視眼”。

下面將逐一介紹本設(shè)備實現(xiàn)技術(shù)理論：

1、現(xiàn)實增強(qiáng)技術(shù)

現(xiàn)實增強(qiáng)技術(shù)（以下簡稱AR技術(shù)）是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的一個重要分支，也是近年來的研究熱點(diǎn)。現(xiàn)實增強(qiáng)技術(shù)，是在虛擬現(xiàn)實技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新技術(shù)，是通過計算機(jī)系統(tǒng)提供的信息增加用戶對現(xiàn)實世界感知的技術(shù)，并將計算機(jī)生成的虛擬物體、場景或系統(tǒng)提示信息疊加到真實場景中，從而實現(xiàn)對現(xiàn)實的“增強(qiáng)”。AR技術(shù)通常是以透過式空間顯示系統(tǒng)和注冊（AR技術(shù)中用戶觀察點(diǎn)和計算機(jī)生成的虛擬物體的定位）系統(tǒng)相結(jié)合的形式來實現(xiàn)的。AR技術(shù)是一個相對較新的研究領(lǐng)域，是一種利用計算機(jī)對使用者所看到的真實世界產(chǎn)生的附加信息進(jìn)行景象增強(qiáng)或擴(kuò)張的技術(shù)。AR技術(shù)不是把真實世界與使用者隔離，而是利用附加的圖形或文字信息，對周圍真實世界的場景動態(tài)地進(jìn)行增強(qiáng)。在AR環(huán)境中，使用者可以在看到周圍真實環(huán)境的同時，看到計算機(jī)產(chǎn)生的增強(qiáng)信息這種增強(qiáng)的信息可以是在真實環(huán)境中與真實環(huán)境共存的虛擬物體，也可以是關(guān)于存在的真實物體的非幾何信息。在使用者眼里，真實物體和虛擬物體是共存的，是互相增強(qiáng)或者互為補(bǔ)充的。AR技術(shù)是以現(xiàn)實圖像為主，而不是完全取代它。可見，AR技術(shù)在虛擬現(xiàn)實與真實世界之間架起了一座橋梁，使現(xiàn)場人員可以如同具有了“透視眼”穿透地表，“看見”地下真實的電纜與城市管網(wǎng)布置情況。

2、三維地理信息系統(tǒng)技術(shù)

三維地理信息系統(tǒng)技術(shù)作為本項目的核心處理平臺技術(shù)，為系統(tǒng)提供良好、直觀的操作交互界面，并利用其強(qiáng)大的分析功能進(jìn)行電纜溝橫、縱兩個截面的數(shù)據(jù)分析提取。視覺是理解空間最有用的感覺，因此三維地理信息系統(tǒng)技術(shù)（以下簡稱三維GIS）在很大程度上也依賴視覺表現(xiàn)提供更為豐富逼真的信息，各種用戶結(jié)合自己相關(guān)的經(jīng)驗與理解就可以做出準(zhǔn)確而快速的空間決策。三維可視化能使人們只有抽象概念而難以直接感知的空間現(xiàn)象現(xiàn)實化和直觀化，比如剖析地下結(jié)構(gòu)、反演不會重現(xiàn)的歷史過程、推演未來發(fā)展、仿真復(fù)雜的時空現(xiàn)象（洪水淹沒、內(nèi)部污染、事故影響、溫度變化）等，由此能獲得各種超越現(xiàn)實的空間感知經(jīng)驗。目前，大多數(shù)三維GIS的三維能力甚至被認(rèn)為主要體現(xiàn)在三維可視化功能上，并且是區(qū)別于二維GIS最重要的特征之一。突出三維可視化功能的三維GIS在許多場合因此又被稱為“虛擬現(xiàn)實GIS”、“三維可視化GIS”等等。三維可視化越來越多地成為GIS的終端表現(xiàn)形式，并且被認(rèn)為是不同背景的用戶進(jìn)行空間信息交流和視覺分析與空間認(rèn)知的有效媒介。與傳統(tǒng)二維GIS固定的視角或視點(diǎn)觀察效果明顯不同，當(dāng)用戶把視點(diǎn)放在三維空間里時，不經(jīng)意的旋轉(zhuǎn)縮放和平移操作往往容易導(dǎo)致方位的迷失感，使得迅速定位產(chǎn)生困難。為了既能享受常規(guī)二維GIS地圖表示優(yōu)越的方位感，又能得到三維逼真顯示的真實感和沉浸感，多視點(diǎn)的多模態(tài)可視化視圖表示成為三維GIS最典型的界面特點(diǎn)。三維GIS基于數(shù)據(jù)庫能提供多種形式的交互式三維動態(tài)可視化功能，比如，較宏觀的飛越漫游能迅速把握整個空間分布包括地形特征和地物布局，較微觀的穿行漫游則能準(zhǔn)確分辨地形的微小變化和地物的明顯特征，而且在運(yùn)動中能及時更新可見的內(nèi)容并根據(jù)距離遠(yuǎn)近以不同的細(xì)節(jié)或尺度進(jìn)行表現(xiàn)。數(shù)據(jù)動態(tài)裝載、圖形漸進(jìn)描繪、多重細(xì)節(jié)層次和虛擬現(xiàn)實表現(xiàn)等因此成為三維GIS可視化的典型技術(shù)特征。

三維地理信息引擎及三維電纜模型庫集成，本設(shè)備具備依據(jù)三維掃描成像數(shù)據(jù)與電纜拓?fù)鋽?shù)據(jù)進(jìn)行空間全息投影能力。手持移動應(yīng)用可現(xiàn)實三維電纜模型展示、臺賬信息查詢、電纜模型與施工方案全息投影等功能，同時手持移動應(yīng)用具有三維地理信息展示功能，可以在現(xiàn)場直接觀察三維電纜模型在地理模型上的狀態(tài)。

結(jié)論

本設(shè)備將使電纜線路的日常運(yùn)維做到可視化、參數(shù)化、數(shù)字化，大大提高了管理人員對電纜線路的管理水平。同時，在曾設(shè)電纜施工作業(yè)時，可直觀的“看見”地下電纜與城市管網(wǎng)的情況，大大提高了施工安全水平，提升了作業(yè)效率。